崔甲子，黃文斌，彭 勉

(中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)333001)

0 引言

單旋翼式直升機(jī)一般都帶有不大的平尾，其主要作用是改善直升機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性，從而改善縱向操縱性及穩(wěn)定性。此外，平尾對(duì)于速度的靜穩(wěn)定性也有有益的影響。由于氣流在到達(dá)平尾之前已受到機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、旋翼槳轂的阻滯作用以及機(jī)身蒙皮的摩擦作用，導(dǎo)致流動(dòng)分離、動(dòng)量損失而變得紊亂，再和發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣相混合，并由于旋翼、自動(dòng)傾斜器的旋轉(zhuǎn)而繼續(xù)被嚴(yán)重?cái)噥y，所以實(shí)際中平尾的氣動(dòng)環(huán)境比較復(fù)雜。

由于旋翼的旋轉(zhuǎn)作用，作用于左、右平尾的氣流是非對(duì)稱的，在前行槳葉一側(cè)平尾處的下洗流較強(qiáng)，在后行槳葉一側(cè)平尾處的下洗流較弱，這將使左、右平尾的受載情況不同。如何確定旋翼航空器不同構(gòu)型的平尾上的非對(duì)稱載荷分布，驗(yàn)證平尾及其支承結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，保證旋翼航空器安全，是設(shè)計(jì)方應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題。

為了更好地理解和使用FAR29部運(yùn)輸類旋翼航空器適航規(guī)章針對(duì)平尾及其支承結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱載荷適航條款，本文將對(duì)美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)頒布的該適航條款的內(nèi)容和歷次修訂案進(jìn)行分析，詮釋該條款修訂的原因和技術(shù)內(nèi)涵。

1 非對(duì)稱載荷適航條款的歷史發(fā)展

FAA頒布的FAR29部主要來(lái)源于1956年8月1日頒布的CAR7。CAR7中并未包含“非對(duì)稱載荷”條款。FAA在1988年3月21日法規(guī)制定建議案中提議FAR29中增加與固定翼飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)FAR25.427條類似的內(nèi)容，即操縱面和操縱系統(tǒng)的非對(duì)稱載荷要求，并在1990年4月5日頒布的第29-30修正案中正式增加了本條款，隨后在1990年10月22日頒布的第29-31修正案中作了修訂(見表1)，中國(guó)民航局在2002年補(bǔ)充和修訂了相應(yīng)的適航條款。

表1 FAR29.427修訂對(duì)照表

2 第一次修訂原因分析

2.1 1990年4月5日第29-30修正案［1］

該次修正案提出:在29.413條后，新增29.427條。該條內(nèi)容如下:

第29.427條 非對(duì)稱載荷

(a)平尾及其支撐結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)成能承受由偏航和旋翼尾流影響與規(guī)定的飛行情況組合所產(chǎn)生的非對(duì)稱載荷。

(b)為了滿足本條(a)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在缺乏更合理資料的情況下，必須同時(shí)滿足:

(1)由29.413條中對(duì)稱飛行情況下最大載荷的100%作用在對(duì)稱面一側(cè)的水平尾翼上，而另一側(cè)不加載荷;

(2)由29.413條中對(duì)稱飛行情況下最大載荷的50%作用在對(duì)稱面每一側(cè)的水平尾翼上，但方向相反。

(c)對(duì)于平尾支撐在垂尾上的尾翼布局，垂尾及其支撐結(jié)構(gòu)必須按分別考慮每一種規(guī)定的飛行情況下所產(chǎn)生的垂尾和平尾載荷的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。必須按在平尾和垂尾上獲得的最大設(shè)計(jì)載荷來(lái)選擇飛行情況。在缺乏更合理資料的情況下，平尾的非對(duì)稱載荷分布必須假定為本條所規(guī)定的分布。

2.2 修訂原因分析

在增加該條款以前，航空界對(duì)29.413(b)能否合理解釋非對(duì)稱載荷設(shè)計(jì)情況和29.427是否應(yīng)該與固定翼飛機(jī)對(duì)非對(duì)稱載荷的規(guī)定一致展開了激烈的討論［2］。

問題一:29.413(b)能否合理解釋非對(duì)稱載荷設(shè)計(jì)情況。

第29.413條“安定面和操縱面”內(nèi)容如下:

(a)各安定面和操縱面必須設(shè)計(jì)成能承受下列載荷:

(1)限制載荷不小于下列較大值:

(i)15磅/平方英尺;

(ii)最大設(shè)計(jì)速度時(shí)產(chǎn)生的載荷(升力系數(shù)CN=0.55)。

(2)操縱面能承受由機(jī)動(dòng)飛行和機(jī)動(dòng)飛行與突風(fēng)組合引起的臨界載荷。

(b)為滿足本條(a)必須表明載荷分布很真實(shí)地模擬實(shí)際壓力分布情況。

一些人認(rèn)為:29.413(b)的要求對(duì)解釋非對(duì)稱載荷設(shè)計(jì)情況是足夠的。FAA不同意此種說法，認(rèn)為:29.413(b)沒有清楚和明確地關(guān)注非對(duì)稱載荷情況。新增29.427，一方面是為了清楚和明確地告訴公眾:對(duì)于非對(duì)稱載荷設(shè)計(jì)情況是有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的，同時(shí)也將有助于FAA清楚、明確和統(tǒng)一地解釋這些要求。另一方面，任何平尾的非對(duì)稱載荷設(shè)計(jì)情況必須統(tǒng)一地解釋和執(zhí)行，這樣才能在整個(gè)業(yè)界產(chǎn)生同等和合理的安全水平。通過增加新的適合于平尾非對(duì)稱載荷的29.427條來(lái)達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。

問題二:29.427是否應(yīng)該與固定翼航空器對(duì)非對(duì)稱載荷的規(guī)定一致。

一些人認(rèn)為:固定翼飛機(jī)在飛行時(shí)，翼渦旋和噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)排氣確實(shí)會(huì)對(duì)安定面或操縱面造成影響，產(chǎn)生一些非對(duì)稱載荷。但在某種程度上，旋翼尾流對(duì)直升機(jī)安定面或操縱面的影響與固定翼飛機(jī)安定面或操縱面上的氣動(dòng)載荷是不同的。與固定翼飛機(jī)進(jìn)行比較，針對(duì)直升機(jī)安定面或操縱面的不同應(yīng)考慮可能更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)把提議增加的FAR29.427與針對(duì)固定翼飛機(jī)FAR23.427和25.427中非對(duì)稱載荷的規(guī)定進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)它們是不同的。參會(huì)者要求FAA給出解釋。

FAA確實(shí)找到了證明固定翼航空器和旋翼航空器之間標(biāo)準(zhǔn)不同的證據(jù)。通常，典型旋翼航空器的平尾會(huì)經(jīng)受不同飛行狀態(tài)和旋翼尾流直接影響的復(fù)雜氣流，這種復(fù)雜氣流分布引起的載荷分布與固定翼航空器是不同的。在以前型號(hào)合格審定項(xiàng)目中也已經(jīng)找到了作用在旋翼航空器平尾上的非對(duì)稱載荷。此外，針對(duì)固定翼航空器25.427條明確說明:25.427(b)(1)中描述的載荷情況僅適用于常規(guī)的螺旋槳、機(jī)翼、尾翼和機(jī)身的相應(yīng)位置。旋翼航空器不是25.427(b)(1)中考慮的常規(guī)航空器，應(yīng)該制定與常規(guī)航空器不同的設(shè)計(jì)載荷情況。

提議允許對(duì)平尾使用合理的非對(duì)稱設(shè)計(jì)載荷，在缺乏合理分析得到的設(shè)計(jì)載荷的情況下，規(guī)定兩種不同的經(jīng)驗(yàn)載荷分布。一種經(jīng)驗(yàn)情況:29.413規(guī)定面載荷的100%作用在一側(cè)的平尾上，另一側(cè)不加載荷。另一種經(jīng)驗(yàn)情況:29.413規(guī)定面載荷的50%作用在每一側(cè)的平尾上，但方向相反。如果平尾僅從機(jī)身或尾梁的一側(cè)突出，該標(biāo)準(zhǔn)將不適用。

此次修訂明確了運(yùn)輸類旋翼航空器非對(duì)稱載荷設(shè)計(jì)要求。

3 第二次修訂原因分析

3.1 1990年10月22日第29-31修正案［3］

該次修正案提出:刪除29.413，并相應(yīng)地刪除29.427(b)(1)和 (b)(2)中提到的“29.413”。

修訂后，29.427其它內(nèi)容保持不變，(b)(1)和(b)(2)修訂為如下內(nèi)容:

第29.427條 非對(duì)稱載荷

(b)為了滿足本條(a)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在缺乏更合理資料的情況下，必須同時(shí)滿足:

(1)由對(duì)稱飛行情況下最大載荷的100%作用在對(duì)稱面一側(cè)的水平尾翼上，而另一側(cè)不加載荷;

(2)由對(duì)稱飛行情況下最大載荷的50%作用于對(duì)稱面每一側(cè)的水平尾翼上，但方向相反。

3.2 修訂原因分析［4］

由于29.337、29.339 和 29.341 中完全包括了29.413中對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，所以該修正案刪除29.413。

1990版的該條款一直應(yīng)用至今，F(xiàn)AA暫時(shí)還沒有更新該修訂版。

4 非對(duì)稱載荷適航條款的工程應(yīng)用分析

4.1 平尾的布局

單旋翼式平尾布置方式通常有以下3種形式:高平尾(T平尾或單側(cè)平尾)，低平尾和前平尾。結(jié)構(gòu)形式上一般有對(duì)稱的平尾和非對(duì)稱平尾。

高平尾:高平尾離重心距離最大，平尾尺寸和重量較小，懸停時(shí)不受旋翼下洗流作用，無(wú)向下載荷損失。AC313型機(jī)屬于單側(cè)高平尾的布局。

低平尾:處于旋翼下洗流的作用范圍之內(nèi)，直升機(jī)縱向力矩會(huì)突變，縱向操縱力矩隨速度變化較大。AC352型機(jī)屬于對(duì)稱低平尾布局。

前平尾:處于旋翼下洗流作用范圍之外，過渡飛行時(shí)，直升機(jī)縱向力矩不會(huì)突變，縱向操縱力矩隨速度變化較小。懸停時(shí)有向下載荷損失，懸停需用功率增大。直11、AC311型機(jī)屬于前平尾的布局。

圖1 平尾布置方式

4.2 平尾的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證要求

規(guī)定設(shè)計(jì)載荷是保證設(shè)計(jì)的航空器結(jié)構(gòu)安全的有效途徑，在缺乏更合理資料的情況下，對(duì)于這些正常的平尾布局，F(xiàn)AA的咨詢通告(AC)中指出必須采用如下規(guī)定的兩種經(jīng)驗(yàn)非對(duì)稱載荷分布進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)證［5］:

(1)平尾支承在尾梁或機(jī)身上。應(yīng)按圖2所示的六種載荷組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。除非合理的分析表明每組受載情況中的一種或多種情況是非臨界的，或者同等的或更真實(shí)的載荷分布已得到證實(shí)，否則所有的這些經(jīng)驗(yàn)載荷分布均應(yīng)予以采用。除非更合理的載荷分布已獲得證實(shí)，一般應(yīng)采用沿翼展方向矩形分布的氣動(dòng)載荷。如果平尾上使用了端板，氣動(dòng)載荷也應(yīng)相應(yīng)地在其上分布。

(i)第一種非對(duì)稱受載情況:

(a)對(duì)稱面一側(cè)的平尾上作用100%飛行載荷，而另一側(cè)的載荷為零;

(b)對(duì)安裝有端板或其它類似裝置的平尾，載荷分布應(yīng)相應(yīng)地更改。

(ii)第二種非對(duì)稱受載情況:

對(duì)稱面一側(cè)的平尾上向上作用50%飛行載荷，而在對(duì)稱面另一側(cè)的平尾上向下作用50%飛行載荷。

(2)平尾支承在垂尾上。應(yīng)按圖3所示的六種載荷組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。除非合理的分析表明每組受載情況中的一種或多種情況是非臨界的，或者同等的或更真實(shí)的載荷分布已得到證實(shí)，否則所有的這些經(jīng)驗(yàn)載荷分布均應(yīng)予以采用。除非更合理的分布已經(jīng)過驗(yàn)證，否則一般應(yīng)采用沿翼展方向矩形分布的氣動(dòng)載荷。如果平尾上使用了端板，氣動(dòng)載荷應(yīng)相應(yīng)地在其上分布。

(i)第一種非對(duì)稱受載情況:

對(duì)稱面一側(cè)的平尾上作用100%飛行載荷，而另一側(cè)的載荷為零。

(ii)第二種非對(duì)稱受載情況:

對(duì)稱面一側(cè)的平尾上向上作用50%飛行載荷，而在對(duì)稱面另一側(cè)的平尾上向下作用50%飛行載荷。

圖2 平尾支承在尾梁上

圖3 平尾支承在垂尾上

4.3 平尾的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證實(shí)例

4.3.1 直 11 型機(jī)

直11型機(jī)屬于平尾支承在機(jī)身上的前平尾布局，其在驗(yàn)證非對(duì)稱載荷適航條款符合性時(shí)，先通過考慮各種典型對(duì)稱飛行情況，包括最大速度平飛、對(duì)稱俯沖拉起等，選不可逾越速度V=Vne，升力系數(shù)Cy=0.7，得到對(duì)稱飛行情況下最大載荷，然后按(b)(1)“最大載荷100%作用在一側(cè)的平尾上，另一側(cè)不加載荷”、(b)(2)“最大載荷50%作用在每一側(cè)的平尾上，但方向相反”分別進(jìn)行了驗(yàn)證。

4.3.2 AC313 型機(jī)

AC313型機(jī)屬于平尾支承在垂尾上的單側(cè)高平尾布局，通過對(duì)兩次修訂的主要內(nèi)容及修訂背景分析，可以知道，對(duì)于平尾僅從機(jī)身或尾梁的一側(cè)突出的結(jié)構(gòu)構(gòu)型29.427條的要求并不適用。

該型機(jī)平尾及支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可按29.549條“機(jī)身和旋翼支撐結(jié)構(gòu)”的要求進(jìn)行驗(yàn)證。平尾及其支承結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)成能承受第29.337條至29.341條和29.351條中規(guī)定的臨界飛行載荷，第29.235條、第29.471 條至 29.485 條、第 29.493 條、第 29.505條和第29.521條中規(guī)定的適用的地面載荷和水載荷以及在正常使用中預(yù)期的任何其他臨界情況的載荷。

5 總結(jié)

美國(guó)聯(lián)邦航空條例(FAR)在國(guó)際上具有廣泛的適用性和較高的權(quán)威性，是世界上最有影響的適航法規(guī)之一。通過對(duì)美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)頒布的FAR29部運(yùn)輸類旋翼航空器非對(duì)稱載荷適航條款的內(nèi)容和歷次修訂案進(jìn)行分析，加深了對(duì)該條款修訂的原因和技術(shù)內(nèi)涵的理解，明確了旋翼航空器不同構(gòu)型的平尾上的非對(duì)稱載荷分布，完善了我國(guó)運(yùn)輸類旋翼航空器適航相關(guān)條款的研究，為我國(guó)從事旋翼類航空器設(shè)計(jì)和適航審定的人員提供了技術(shù)參考。

［1］Amdt.29-30［EB/OL］.http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_ Guidance _ Library/rgFAR. nsf/0/9099769288E7A1B685256613006B669C?OpenDocument.

［2］CFR NPRM No.88-7 ［EB/OL］.http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_Guidance_Library/rgNPRM.nsf/2ed8a85bb3dd48e68525644900598dfb/dc842af09e493428862568dd005629fd!OpenDocument.

［3］Amdt.29-31［EB/OL］.http://rgl.faa.gov/Regulatory_and _ Guidance _ Library/rgFAR.nsf/0/28C3 BE916984522B85256613006B67D9?OpenDocument

［4］CFR Final Rule No.25885［EB/OL］.http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_Guidance_Library/rgFinalRule.nsf/a09133bddc7f4fbb8525646000609712/d480cba3e5b9a0ee862568250065a1ba!OpenDocument

［5］AC 29-2C［EB/OL］.http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_Guidance _ Library/rgAdvisoryCircular. nsf/0/4FBE41309FF3D821862574D70053CA8E?OpenDocument